高速鐵路列車開行方案評估系統(tǒng)關鍵技術研究

張 宇，賀振歡，聶 磊

（北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044）

列車開行方案是以客運量為基礎，以客流性質、特點和規(guī)律為依據(jù)，科學合理地安排列車開行等級、種類、起訖點、數(shù)量、經(jīng)由線路、停站方案、客座利用率、編組內(nèi)容和車底運用等內(nèi)容，體現(xiàn)從客流到列車流的組織方案[1]。其編制是高速鐵路運營管理及發(fā)展的基礎，采用科學合理的評估方法及表達方式對列車開行方案的運營效果進行評估，對于列車開行方案的進一步調(diào)整和優(yōu)化具有重要的意義。

國內(nèi)外學者對此展開了一系列研究，從技術、經(jīng)濟等不同角度構建了指標體系，提出了列車開行方案的評估方法[2-6]，并開發(fā)了相關系統(tǒng)或功能模塊[7-9]，為列車開行方案評估提供了基礎的理論內(nèi)容。

1 問題分析

高速鐵路列車開行方案體系龐大，影響因素眾多，方案評估涉及數(shù)據(jù)內(nèi)容較多，如圖 1所示。開行方案評估基礎數(shù)據(jù)種類多，要素復雜且數(shù)據(jù)量級龐大（以京滬單線列車開行方案評估為例，當以日為評估單位時，評估涉及客流數(shù)據(jù)可達10萬條左右）。對于列車開行方案的評價可以劃分列車和整體方案兩個層次，建立包含經(jīng)濟效益、技術水平、旅客服務質量和車流匹配4個方面的多層次綜合評價指標體系[2]。其中，經(jīng)濟指標反映開行方案的收益水平；技術指標反映開行方案列車運用以及OD服務的基礎信息；車流匹配和旅客服務質量從客流角度分析開行方案的實際運用效果。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)內(nèi)容示意圖

目前，評估指標與方法的研究相對比較成熟，而計算機評估系統(tǒng)方面的研究相對匱乏。傳統(tǒng)評估系統(tǒng)常以表格和簡單數(shù)據(jù)羅列等模式展示評估結果，對方案的評估精細程度及優(yōu)化方向指導力度不夠，指標的可視化研究力度有待加強。評估系統(tǒng)的目的在于使用簡單明了的表達方式，將上述指標內(nèi)容以定性或定量的方式簡單直觀的表達出來，服務于方案的優(yōu)化及調(diào)整。方案評估相關指標數(shù)據(jù)類型多、數(shù)據(jù)量大、指標結果側重點各有所異，表達模式已不僅局限于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)表格所能提供的數(shù)據(jù)表達模式，更需要結合指標結果數(shù)據(jù)類型、評估目的等針對性設計，諸如趨勢性數(shù)據(jù)表達、對比性數(shù)據(jù)表達等方式以突出方案的優(yōu)劣。

結合以上分析，如何以簡單嚴謹?shù)臄?shù)據(jù)管理方式對數(shù)據(jù)進行高效的管理以保證系統(tǒng)的準確、靈活與高效；如何設計開發(fā)與指標特點相適應的表達技術以滿足各類指標的表達需求，是開行方案評估系統(tǒng)亟待研究的重要問題。以C#語言為開發(fā)工具，重點研究高速鐵路列車開行方案評估系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理關鍵技術以及多級指標動態(tài)展示技術、通用圖表表達技術等指標表達關鍵技術，并在實際研究中予以應用。

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理技術

列車開行方案評估數(shù)據(jù)主要受到時間、空間和邏輯時序3方面約束。由于開行方案影響因素眾多，評估過程涉及基礎數(shù)據(jù)內(nèi)容復雜，且評估指標側重點各有不同，系統(tǒng)極易形成邏輯復雜的龐大的數(shù)據(jù)樹。因此，系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理的主要需求是：根據(jù)開行方案評估需求，嚴格數(shù)據(jù)抽取及構建的邏輯流程，保證數(shù)據(jù)管理及分析計算階段的數(shù)據(jù)準確性、高效性。

系統(tǒng)主要采用數(shù)據(jù)邏輯約束及組織管理2種控制方法解決數(shù)據(jù)管理難題。其系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理方法，如圖 2所示，系統(tǒng)從“橫-縱”兩個方向建立數(shù)據(jù)組織管理關系。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理方法

橫向的數(shù)據(jù)管理關系主要按照數(shù)據(jù)類別分類管理，設計生成路網(wǎng)數(shù)據(jù)管理器、客流數(shù)據(jù)管理器在內(nèi)的若干邏輯數(shù)據(jù)管理器，統(tǒng)一負責本類數(shù)據(jù)的維護。

縱向的數(shù)據(jù)管理關系按照列車開行方案評估的邏輯順序：（1）將當前方案評估過程中每一步操作過程下的數(shù)據(jù)集合起來運用各層的數(shù)據(jù)管理器集中管理；（2）按照如圖所示的“從上到下”的邏輯順序，依次完成構建方案評估對象、進行單（多）方案評估、計算方案評估指標以及指標表達數(shù)據(jù)的傳遞等過程。

在此過程中，數(shù)據(jù)頂層邏輯管理器將依據(jù)數(shù)據(jù)類別及當前數(shù)據(jù)的關系負責校驗及維護數(shù)據(jù)的邏輯合理性。系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)類別以及所處評估流程中的位置關系嚴格約束了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的運算邏輯，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)運算的安全性及高效性。

3 多級指標動態(tài)展示技術

傳統(tǒng)開行方案評估過程中較為關注的數(shù)據(jù)指標包括客流量、周轉量和能力等單值型技術指標內(nèi)容。傳統(tǒng)評估以單值數(shù)據(jù)簡單表達方案整體性評估結果，而相對缺少按照技術指標影響因素劃分更細致的評估角度對方案運用的評估表達。本系統(tǒng)將上述單值指標內(nèi)容按照列車類型、OD距離等劃分不同的評估維度，在表達整體方案技術指標的同時，按照更細致的評估維度計算分析上述技術指標并加以表達，從而重點突出方案內(nèi)不同類別列車開行情況或客流服務效果。

（1）單值指標體系指標層級與指標內(nèi)容存在類樹形結構，但指標樹的深度以及各個分支子節(jié)點數(shù)量不固定；

（2）指標表達過程中，指標的展示層級及內(nèi)容的定義和表達可以根據(jù)不同的評估需求動態(tài)調(diào)整；

（3）評估指標結果的表達層級及表達內(nèi)容定義過程可動態(tài)調(diào)整。

借鑒傳統(tǒng)表格所具有的數(shù)據(jù)表達直觀性的優(yōu)勢，將表格結構予以改進，設計研究出多級指標動態(tài)展示技術實現(xiàn)多層級評估指標的清晰展示及表達內(nèi)容的動態(tài)調(diào)整。具體效果，如圖3所示。

多級指標動態(tài)展示控件指標表達界面實現(xiàn)過程中，根據(jù)單值型評估指標體系的類樹形結構特征，采用遞歸算法為核心構建控件繪制算法。

（1）系統(tǒng)將上述技術指標內(nèi)容不同影響因素作為指標邊界構建指標樹分支以形成類樹形指標結構；

（2）根據(jù)指標的樹形結構以深度優(yōu)先的策略循環(huán)調(diào)用窗格繪制方法；

（3）根據(jù)指標間的層級關系，修改的窗格繪制函數(shù)的表格背景色及字體顏色等參數(shù)從而區(qū)分指標層級及從屬關系，形成如圖3a的表達效果。

圖3 多級指標效果圖

多級指標展示界面的動態(tài)調(diào)整過程則以回溯算法為核心實現(xiàn)，系統(tǒng)通過深度優(yōu)先搜索的方式，將指標動態(tài)定義界面所設置的指標的顯示狀態(tài)由低層級到高層級進行不斷回溯以獲取完整的指標樹，待展示狀態(tài)設置結束后則交由指標展示界面重繪指標內(nèi)容及層級屬性，實現(xiàn)多級指標表達的動態(tài)調(diào)整，具體動態(tài)定義界面，如圖3b所示。

4 通用圖表表達技術

開行方案評估過程中，經(jīng)濟效益指標，車流匹配指標以及旅客服務質量指標等指標結果多為趨勢性或對比性數(shù)據(jù)，適用于折線圖、柱狀圖等表達方式對指標內(nèi)容進行詳細展示。但由于類似指標數(shù)量較多，系統(tǒng)實現(xiàn)過程中如將上述指標內(nèi)容逐個進行表達圖表的繪制，將造成較大的冗余。設計研究通用圖表表達技術，實現(xiàn)柱狀圖、折線圖內(nèi)容的統(tǒng)一繪制，解決了指標表達過程中圖表繪制的重復性操作問題，降低了系統(tǒng)冗余性。

具體實現(xiàn)過程中，系統(tǒng)利用基礎繪圖類庫內(nèi)容形成繪圖面板，設計包含界面縮放平移等基礎屬性在內(nèi)的底層控件；在控件之上封裝入柱狀圖、折線圖2類繪圖方法并保留數(shù)據(jù)傳入接口，數(shù)據(jù)表達過程中則可按照數(shù)據(jù)內(nèi)容選擇性傳遞數(shù)據(jù)參數(shù)以獲取不同的表達方式，滿足不同指標的數(shù)據(jù)表達需求，降低了指標表達的重復性繪制工作，提高了系統(tǒng)運算效率。具體實現(xiàn)效果，如圖4所示，其中，圖4a展示了柱狀圖表達模式，對比突出當前方案較多的列車旅行速度分布在120～180 km/h；圖4b展示了折線圖表達模式，突出了日均客座收入日變化情況；圖4c展示了柱狀圖及折線圖綜合運用的表達模式，柱狀圖表示車站平均服務人數(shù)，折線表示途經(jīng)列車服務頻率，二者結合表明，諸如濟南西、徐州東、南京南等重點站列車服務頻率較高于車站平均服務人數(shù)所需求的列車開行頻率，相關列車停站結構有一定的調(diào)整空間。

圖4 通用圖表表達示意圖

5 基于物理網(wǎng)的數(shù)據(jù)可視化技術

開行方案評估表達不僅僅是對于方案基礎指標屬性的表達，更需要直觀、準確展示開行方案的路網(wǎng)服務情況，線路資源配置情況等，以實現(xiàn)從空間或時空角度對方案整體效果進行評估。因此基于物理網(wǎng)的數(shù)據(jù)可視化內(nèi)容既包括當前國內(nèi)高速鐵路網(wǎng)的基礎分布情況展示，又包括與物理網(wǎng)密切相關的列車開行方案評估指標內(nèi)容的表達。具體指標內(nèi)容包括：全網(wǎng)客流量及運力資源分布情況；單一線路的輸送能力、線路客流量；節(jié)點（車站）的服務頻率以及可達性等。該部分數(shù)據(jù)內(nèi)容表達與物理網(wǎng)密切相關，范圍涵蓋全網(wǎng)、線路、節(jié)點或車站等多個層次，其實現(xiàn)的主要難點是如何以物理網(wǎng)為基礎合理展示指標數(shù)據(jù)。

研發(fā)的基于物理網(wǎng)的數(shù)據(jù)可視化技術以實際高速鐵路路網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎，采用分層設計、逐層繼承的控件集成開發(fā)模式定義開發(fā)普適性表達組件。該表達控件以GDI+繪圖技術為主要工具[10-11]，通過將實際路網(wǎng)縮放繪于計算機展示界面之上，以界面的線條顏色、粗細等屬性變化實現(xiàn)評估指標數(shù)據(jù)的表達。根據(jù)高速鐵路網(wǎng)的路網(wǎng)、節(jié)點（車站）、線路3大評估要素，相對應的指標表達控件劃分路網(wǎng)層、節(jié)點（車站）層以及線路層進行指標結果的表達。

（1）鐵路路網(wǎng)層，該層為整個控件的基礎層級，詳細展示了當前我國大陸高速鐵路線路分布情況。

（2）節(jié)點（車站）指標表達層，該層在路網(wǎng)層基礎上，調(diào)節(jié)線路中節(jié)點或車站的圖標顏色及半徑等內(nèi)容實現(xiàn)評估指標結果的展示。如車站直達范圍評估指標中以車站半徑表示車站列車服務頻率，顏色表示研究節(jié)點到該車站的平均旅行時間范圍。

（3）線路指標表達層，該層在高鐵線路網(wǎng)的基礎上調(diào)整線路顏色繪制實現(xiàn)客流量等線路相關指標內(nèi)容的表達。

6 系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)上述研究結果，系統(tǒng)已在.NET平臺下用C#語言開發(fā)實現(xiàn)[12]。系統(tǒng)應用上述數(shù)據(jù)管理技術以及評估指標表達技術實現(xiàn)了對于數(shù)據(jù)內(nèi)容的高效管理以及評估指標的可視化展示。目前該系統(tǒng)不僅服務于科研項目的開行方案評估優(yōu)化理論研究階段，更在鐵路運輸企業(yè)中得到實際應用并產(chǎn)生了良好的效果。

（1）系統(tǒng)運用多集指標動態(tài)展示技術，邏輯清晰的將方案基礎信息以及技術指標等20余項數(shù)據(jù)內(nèi)容采用列表形式進行展示，詳細列出了不同分類層級下評估指標結果；

（2）系統(tǒng)運用通用圖表表達技術，通過柱狀圖、折線圖等表達模式，展現(xiàn)了諸如日收入變化，日客流量變化、車流匹配效果等23項經(jīng)濟指標以及客流服務相關指標內(nèi)容；

（3）系統(tǒng)運用基于物理網(wǎng)的數(shù)據(jù)可視化技術，以線條顏色及粗細展示了高速鐵路路網(wǎng)分布、方案所服務的客流量、周轉量以及節(jié)點直達范圍等7項指標內(nèi)容。

7 結束語

隨著鐵路運營管理智能化的發(fā)展，開發(fā)研究智能化的列車開行方案評估系統(tǒng)對于開行方案的調(diào)整分析具有重要的意義。針對高速鐵路列車開行方案評估系統(tǒng)關鍵技術，設計研究基于系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理技術、多級指標動態(tài)展示技術、通用圖表表達技術和基于物理網(wǎng)的數(shù)據(jù)可視化技術4部分指標表達技術內(nèi)容，從系統(tǒng)計算效率以及表達直觀性、準確性角度上實現(xiàn)了對于評估系統(tǒng)的優(yōu)化，為開行方案智能化評估提供了科學可靠的輔助決策工具。